纖維增強(qiáng)塑料彈簧的重量顯著減輕，最高可減重 80%，進(jìn)而提升機(jī)械系統(tǒng)的整體能效。纖維增強(qiáng)塑料的阻尼性能遠(yuǎn)超其他材料，量級(jí)相差數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，有效降低了振動(dòng)與噪音。憑借更輕的重量和獨(dú)特的材料特性，其第一階本征模態(tài)出現(xiàn)在遠(yuǎn)更高的頻率段，這意味著設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的無(wú)用噪音大幅減少。此外，纖維增強(qiáng)塑料彈簧具備出色的應(yīng)急安全性能，且纖維增強(qiáng)塑料為非磁性、非導(dǎo)電材料。

創(chuàng)新亮點(diǎn)

纖維增強(qiáng)塑料彈簧衍生出板簧等不同類型，各有獨(dú)特功能，極大拓展了應(yīng)用范圍。

由纖維增強(qiáng)塑料（FRP）制成的彈簧，相比傳統(tǒng)鋼制彈簧、波紋管彈簧和氣體彈簧具備諸多優(yōu)勢(shì)。這類彈簧通過(guò)高度自動(dòng)化的壓制成型工藝生產(chǎn)，兼具輕量化設(shè)計(jì)、高疲勞強(qiáng)度與成本競(jìng)爭(zhēng)力，是下一代機(jī)械系統(tǒng)的突破性解決方案。

創(chuàng)新解決方案

丹托創(chuàng)新公司成立于 2010 年，是研發(fā)新型纖維增強(qiáng)塑料彈簧的全球領(lǐng)軍企業(yè)。公司兩位創(chuàng)始人均來(lái)自達(dá)姆施塔特，自主研發(fā)了這類創(chuàng)新彈簧設(shè)計(jì)與制造所需的軟硬件系統(tǒng)（圖 1）。纖維增強(qiáng)塑料彈簧不僅擁有創(chuàng)新技術(shù)和高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，還憑借高效的生產(chǎn)工藝與戰(zhàn)略性的材料選擇，在成本上與鋼制彈簧形成競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

該公司的復(fù)合材料彈簧以預(yù)浸料為原料，這一選材能實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)效率，同時(shí)最大限度減少材料浪費(fèi)。預(yù)浸料片材直接被壓制成彈簧的最終形狀，隨后在壓機(jī)中固化，省去了額外的成型工序。目前公司未采用樹(shù)脂傳遞模塑、纖維纏繞成型或自動(dòng)纖維鋪放等其他制造工藝，因?yàn)閴褐瞥尚凸に囋谛阅?、成本效益和?guī)?；a(chǎn)之間實(shí)現(xiàn)了最佳平衡。

優(yōu)異的可重復(fù)性

生產(chǎn)周期因彈簧部件的重量而異：小型彈簧的單次生產(chǎn)周期通常為 3 至 5 分鐘，而重量超過(guò) 10 千克的大型彈簧生產(chǎn)周期會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)。該生產(chǎn)工藝的產(chǎn)品可重復(fù)性極佳，彈簧剛度偏差低于 2%。

彈簧的生產(chǎn)原料幾乎全部采用玻璃纖維，纖維束規(guī)格的選擇依據(jù)具體的應(yīng)用需求而定。目前公司選用熱固性基體材料，因其具備更優(yōu)異的機(jī)械性能和耐高溫性；針對(duì)性能要求較低的應(yīng)用場(chǎng)景，替代性基體材料體系正處于研發(fā)階段。生產(chǎn)中可通過(guò)設(shè)計(jì)不同纖維取向的鋪層，實(shí)現(xiàn)定制化的機(jī)械性能或優(yōu)化成本，纖維取向的調(diào)整還能讓彈簧承受最大載荷下的多次循環(huán)加載。彈簧的疲勞壽命可根據(jù)客戶需求定制，既能設(shè)計(jì)為耐疲勞型，也可按產(chǎn)品生命周期需求設(shè)計(jì)。

丹托公司的纖維增強(qiáng)塑料彈簧相較傳統(tǒng)彈簧優(yōu)勢(shì)顯著，其設(shè)計(jì)選擇空間廣闊、樣式靈活多變，能應(yīng)用于諸多此前受技術(shù)限制無(wú)法涉足的領(lǐng)域。這類彈簧最初為汽車(chē)行業(yè)研發(fā)，于 2022 年榮獲美國(guó)塑料工程師協(xié)會(huì)頒發(fā)的全球創(chuàng)新大獎(jiǎng)。針對(duì)部分汽車(chē)應(yīng)用場(chǎng)景，該技術(shù)的技術(shù)成熟度已達(dá) 7 級(jí)；在軌道交通、工業(yè)工具及通用工業(yè)等領(lǐng)域，其他應(yīng)用案例也正處于高級(jí)測(cè)試階段。

從材料成本來(lái)看，復(fù)合材料彈簧極具競(jìng)爭(zhēng)力：一款典型的鋼制螺旋彈簧重約 4 千克，材料成本約 6 歐元，而性能相當(dāng)?shù)牟ＡЮw維增強(qiáng)塑料彈簧材料成本僅約 3.5 歐元。隨著產(chǎn)量提升和工藝優(yōu)化，玻璃纖維增強(qiáng)塑料彈簧在大批量生產(chǎn)中將具備更高的經(jīng)濟(jì)可行性。

丹托創(chuàng)新公司目前自主完成非汽車(chē)領(lǐng)域復(fù)合材料彈簧的批量生產(chǎn)。因萊茵金屬公司退出合作，公司正為汽車(chē)領(lǐng)域?qū)ふ倚碌囊患?jí)供應(yīng)商承接批量生產(chǎn)業(yè)務(wù)。建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系并進(jìn)一步推進(jìn)生產(chǎn)自動(dòng)化，是丹托公司產(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)略的核心舉措。

丹托纖維增強(qiáng)塑料彈簧能適應(yīng)多種結(jié)構(gòu)工況，可集成應(yīng)用于那些因空間或形狀限制、無(wú)法安裝傳統(tǒng)板簧、鋼制螺旋彈簧和渦卷彈簧的場(chǎng)景。由于采用凈成型工藝，即便設(shè)計(jì)復(fù)雜，也基本不會(huì)增加制造成本。彈簧有效作用力的方向可按需調(diào)整，這一特性為系統(tǒng)的精細(xì)調(diào)試提供了顯著優(yōu)勢(shì)，在高要求的技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景中尤為實(shí)用。

屈曲桿彈簧

屈曲桿彈簧憑借獨(dú)特的特性曲線和靈活的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，可通過(guò)針對(duì)性的剛度設(shè)計(jì)，使力 - 位移曲線在特定位移點(diǎn)發(fā)生彎折。這一特性讓屈曲桿彈簧成為固有頻率極低、支撐力要求高的軸承等部件的理想選擇。

屈曲桿彈簧是一項(xiàng)卓越的技術(shù)方案，擁有獨(dú)特的特性曲線，且設(shè)計(jì)極為節(jié)省空間、靈活性強(qiáng)，在諸多領(lǐng)域具備應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，例如射釘槍設(shè)備。在射釘槍中，屈曲桿彈簧的扁平特性曲線能實(shí)現(xiàn)擊發(fā)能量的精準(zhǔn)控制，確保工作時(shí)的最小持力（圖2）。

這一特性不僅能大幅降低后坐力，還能顯著減小系統(tǒng)各部件的載荷，借助二次輕量化效應(yīng)，讓工具操作更便捷、重量更輕、使用更人性化。

力程特性曲線

在射釘槍中，屈曲桿彈簧能保證釘子加速的穩(wěn)定性和強(qiáng)勁動(dòng)力，同時(shí)大幅降低后坐力。結(jié)合二次輕量化效應(yīng)，其最大夾緊力可減半，使用體驗(yàn)極具人體工程學(xué)優(yōu)勢(shì)。

在振動(dòng)設(shè)備中，屈曲桿彈簧的特殊彈性特性能有效抵御過(guò)載沖擊，提升設(shè)備的使用效果和效率；在卷繞設(shè)備中，屈曲桿彈簧結(jié)構(gòu)緊湊、持力強(qiáng)勁，是線纜、軟管等產(chǎn)品安全高效卷繞的理想方案，這一優(yōu)勢(shì)在諸多技術(shù)系統(tǒng)中均能發(fā)揮作用。

在海事應(yīng)用場(chǎng)景中，纖維增強(qiáng)塑料彈簧的耐腐蝕性和抗磁干擾特性凸顯優(yōu)勢(shì)，這在高鹽、高濕的海洋環(huán)境中尤為重要。

除射釘槍外，屈曲桿彈簧能以最小持力實(shí)現(xiàn)恒定加速，無(wú)論是現(xiàn)有應(yīng)用領(lǐng)域還是新興領(lǐng)域，都是解決諸多技術(shù)難題的理想方案。

磁共振成像（MRI）設(shè)備及其周邊環(huán)境對(duì)非磁性材料有硬性要求，而纖維增強(qiáng)塑料彈簧恰好滿足這一需求。

廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

纖維增強(qiáng)塑料彈簧是一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性技術(shù)，其多功能性和適應(yīng)性為眾多技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)辟了新可能。結(jié)合丹托公司在靈活利用安裝空間、按需調(diào)整彈簧作用力方面的專業(yè)能力，這類彈簧成為眾多高要求應(yīng)用場(chǎng)景的理想解決方案。

除已具備批量生產(chǎn)條件的汽車(chē)行業(yè)外，丹托纖維增強(qiáng)塑料彈簧在軌道交通車(chē)輛的高級(jí)測(cè)試中也表現(xiàn)亮眼：既能改善車(chē)輛的行駛性能、降低行駛噪音（從而提升軌道交通的接受度，在城市區(qū)域尤為明顯），還能大幅減少維護(hù)成本。

在電氣設(shè)備中，纖維增強(qiáng)塑料彈簧能提供所需的開(kāi)關(guān)作用力，實(shí)現(xiàn)電路的快速可靠斷開(kāi)，同時(shí)還可充當(dāng)電氣絕緣體。